Intercambiadores de calor

INTERCAMBIADORES DE CALOR
El proceso de intercambio de calor entre dos fluidos que están a diferentes temperaturas y
separados por una pared sólida se realiza en dispositivos que se utilizan para llevar a cabo este
intercambio y que se denominan intercambiadores de calor.
A continuación se considerarán los principios de transferencia de calor necesarios para diseñar y/o
evaluar elfuncionamiento de un intercambiador de calor.

Los intercambiadores de calor se clasifican en cuatro tipos, según:
1- Arreglo del flujo
Flujo paralelo
Contraflujo
Flujo cruzado

2- Tipo de construcción
Doble tubo
Tubo y coraza
Compactos

Intercambiadores de calor de tubos concéntricos

Intercambiadores de calor de flujo cruzado

Intercambiador de calor de tubo y coraza

Intercambiadorde calor de tubo y coraza con un paso po coraza y tubos (contraflujo cruzado)

Intercambiador de calor de tubo y coraza

Intercambiador tubular

Generador de vapor

Calentador de fuel oil

Intercambiadores de calor compactos

Cubiertas de intercambiadores de calor compactos

Intercambiador compacto, tipo espiral para alta presión (40 barg).
Dimensiones 3.3 m de altura y 45 Tm depeso.

Intercambiador de calor compacto. Intercambiador de placa

11.2 Coeficiente global de transferencia de calor
El coeficiente global de transferencia de calor se puede expresar como:
1
1
1
=
=
UA
Uc A c
Uh Ah
R''
R''
1
1
1
f,c
f,h
=
+
+ Rw +
+
UA
( η0hA )c
( η0 A )c
( η0 A )h
( η0hA )h

11.1

Tabla 11.1 Factores de impureza representativos

Fluido

Rf’’Agua de mar y agua tratada para alimentación de una caldera (por
debajo de 50 ºC)

0.0001

Agua de mar y agua tratada para alimentación de una caldera (por
arriba de 50 ºC)

0.0002

Agua de río (por debajo de 50 ºC)

0.0002 – 0.001

Aceite de motor

0.0009

Líquidos refrigerantes

0.0002

Vapor (no aceitoso)

0.0001

La cantidad η0 se denomina eficiencia superficialglobal efectiva de la temperatura de una
superficie con aletas. Se define de modo que, la transferencia de calor es:
q = η 0 hA(Tb - T∞ )

Con:
A
η0 =1− f (1−ηf )
A

Si se emplea una aleta recta o de alfiler de longitud L, y se supone extremo adiabático:
ηf =

tanh(mL)
mL

donde m = (2h/kt)1/2 y t el espesor de la aleta.
Para los intercambiadores de calor tubulares, sin aletas, laecuación 11.1 se reduce a:
1
1
1
=
=
UA Ui Ai Uo A o
''
R''
ln(Do /Di ) Rf,o
1
1
1
f,i
=
+
+
+
+
UA hi Ai
Ai
2πkL
Ao
ho A o

donde Ai = πDiL y Ao = πDoL

11.5

Tabla 11.2 Valores representativos del coeficiente global de transferencia de calor

Combinación de fluidos

U [W/m2.K]

Agua con agua

850 - 1700

Agua con aceite

110 - 350

Condensador de vapor(agua en tubos)

1000 - 6000

Condensador de amoníaco (agua en tubos)

800 - 1400

Condensador de alcohol (agua en tubos)

250 - 700

Intercambiador de calor de tubos con aletas (agua en tubos, aire en
flujo cruzado)

25 - 50

11.3 Análisis térmico de un intercambiador de calor
El objetivo de un análisis térmico en un intercambiador de calor es el de ser capaces de expresar
elcalor transferido, q, del fluido caliente al fluido frío, en términos del coeficiente global de
transferencia de calor. El área de transferencia de calor A, y las temperaturas de entrada y salida
de los fluidos caliente y frío.

Para la transferencia total de calor entre los fluidos caliente y frío podemos plantear un balance de
energía global. Si la pérdida del intercambiador con losalrededores es despreciable, así como los
cambios de energía potencial y cinética, este da por resultado:
&
q = mh (ih,i - ih,o )
&
q = m c (ic,o - ic,i )

donde i específica es la entalpía del fluido.
Si los fluidos no experimentan cambio de fase y se suponen calores específicos constantes, estas
expresiones se pueden escribir como
&
q = mh c p,h (Th,i - Th,o )
&
q = m c c p,c (Tc,o - Tc,i...